在月球上生活，人類準備好了嗎？
Pierre Henriquet
核物理學博士、瞰創新專欄撰稿人
本世紀的阿爾忒彌斯載人登月計劃是一個長期、龐大的項目，目的是逐步在月球表面建立一個基地，使得宇航員能短期和永久的居住在月球上。
月球環境嚴酷惡劣，人類無法在月球上生存。
如何保障宇航員在月球惡劣環境中的生存？登月任務將面臨怎樣的技術和工程挑戰？
美國航空航天局計劃於2024-2025年再次將宇航員送上月球。
該任務隸屬於阿爾忒彌斯計劃——一項讓人類重返月球的長期項目，將建設月球軌道空間站和可供人類居住的月球基地。
項目的實施意味著人類必須克服月球環境的限制：比地球弱6倍的引力、極端的溫度、隨時隨地可能降臨的隕石雨等等。
因此，機器人技術、新型技術、工業創新對於人類在月球上定居至關重要。
阿爾忒彌斯計劃需要大量的能源，可以由核裂變動力系統提供。
人類重返月球的另一個目的是開采氧、矽、鋁、鐵、氦-3等資源。
2022年11月16日，美國巨型SLS火箭從佛羅裡達州肯尼迪航天中心的39號發射架點火升空，將獵戶座飛船發射到繞月球飛行的軌道上。
該新型無人飛船上裝有由美國航天局研制的宜居艙和歐洲航天局研制的服務艙。
此次發射任務名為阿爾忒彌斯一號，取得了圓滿成功。
不過，這隻是為2024年《屆時發射獵戶座載人飛船》和2025年《屆時一男一女將再次踏上月球》的人類重返月球計劃做準備的第一步。
與20世紀70年代的阿波羅計劃不同，本世紀的阿爾忒彌斯載人登月計劃是一個長期、龐大的項目，先會將一個類似於國際空間站的月球空間站送入月球軌道《目前已有幾個模塊完成建設》，隨後逐步在月球表面建立一個基地，使得宇航員既能短期登陸月球，也能永久居住。
圖片來源：美國國家航空航天局 – 宇航員在月球小型移動基地附近工作概念圖
實施這一雄心勃勃的計劃，意味著要在人類所知的最極端的環境中建設居住區，保障宇航員在月球惡劣環境中的生存。
今天，讓我們談談未來幾十年登月任務將面臨的技術和工程挑戰。
01
征服惡劣的月球環境
建造、維持一個穩定安全的人類居住區，首先要分析月球的環境，了解其對建築物和人類活動的限制。
由於月球比地球小、質量較低，引力比地球弱六倍，因此建築設計、建築結構和材料阻力的相關計算都必須根據月球情況仔細調整。
此外，月球自轉非常緩慢，白晝大約持續兩個地球周，夜晚同樣漫長。
月球由於沒有大氣層在明暗面之間均衡調節溫度，地表溫度白天可高至120°C，晚上低至-250°C！缺乏大氣層還意味著隕石會以全速猛烈地撞擊月球，且月球的表面時刻暴露在宇宙射線之下。
宇宙射線是高能粒子流，人體過量照射會導致燒傷、不孕不育和癌症。
目前有幾種解決上述問題的方案。
一是在月球遠古形成的巨大熔巖隧道中建設居住區，為宇航員提供安全的環境《見下圖》。
然而，阿爾忒彌斯計劃目前計劃在月球的南極進行建設，但該地區尚未發現巨大的地下隧道。
圖片來源：Sebastian Luca – 月球遠古形成的巨大熔巖隧道中建設基地效果圖
02
登月引領航天業新趨勢
有了登月項目和月球基地，人類便能在月球表面活動，而基地建築物的設計必須從月球環境的實際情況出發。
2016年，歐洲航天局提出了『月球村』建設項目。
其設計構想是在月球表面安放充氣模塊，然後由機器人在模塊表面上覆蓋一層以月球風化層為原料的厚混凝土。
充氣結構模塊在航天領域算不上新興事物。
2016年，國際空間站上安裝測試了一個名為BEAM《畢格羅可擴展活動模塊》的充氣模塊。
法國的斯巴達太空公司正在開發一種可充氣的活動住房，充當遠離主基地的科考任務的臨時大本營。
圖片來源：歐洲航天局 – 歐洲航天局月球村效果圖
歐洲航天局設想的月球村要大量地使用具備3D打印功能的機器人。
這些機器人可以采集月球風化層，將其與黏合劑混合，制成糊狀物，再噴灑到充氣模塊上構建保護層，讓宇航員在建築物內安全生活。
機器人有望在月球建設中發揮重要作用。
月球上，任何一個微小的動作都有可能釀成致命事故，應盡量派遣機器人進行月表活動。
不過，雖然機器人敏捷高效，由於需要的數量眾多，仍有許多問題需要通過技術創新和突破解決。
比如機械齒輪杠桿會因為粘附表面靜電和極為粗糙的月球塵埃顆粒而失效，而且傳統的潤滑劑在太空真空環境中極容易幹燥揮發。
『機器人有望在月球建設中發揮重要作用』
月球任務的另一個關鍵問題是能源供應。
阿爾忒彌斯任務有一個優勢：其所處的地帶總有陽光照耀，太陽下落的最低點也在地平線之上，因此可以在隕石坑的向陽面部署大量的太陽能電池板。
但隨著基地的擴充，肯定需要建設緊湊小型核電站作為補充。
2022年6月，美國國家航空航天局和能源部選定了三個核裂變動力系統方案：其中一種有望在2020年代末完成研發，在月球上示范。
03
月球上哪些活動能耗龐大？
資源開采——這是人類重返月球的目的之一。
開采的主要的目標資源是水，既月球兩極的隕石坑底部大量的冰，可用於月球上的食品加工和農業，還可用於制備氧和液氫，作為從月球起飛的火箭的燃料。
月球土壤富含氧、矽等有價值的礦產資源，還有鋁和鐵等各種金屬元素。
不過從長遠來看，在月球上開采氦-3更有意義，可用於熱核聚變反應堆。
如果人類要在地球的天然衛星上長時間停留，就必須開發更多技術和產業來適應月球的環境。
醫學、農業和生物技術都是至關重要的。
不過，人類首先要實現在月球上長期存活，才有必要探索上述這些後續問題。
待人類在月球上安居樂業的那一天到來，還將有一個行業值得我們拭目以待，那就是占世界GDP近7%的重量級行業：旅遊業。
未來，隨著繞月飛行、登陸月球表面、『短期遊』、『深度遊』等旅遊項目的開發，月球很有可能成為22世紀不可錯過的宇宙名勝。
作者
Pierre Henriquet
Meister Xia